王强瞪大眼睛:“那要是扔得再快呢?”
“那就飞离地球了。”费政老师笑了笑,“第二宇宙速度,11.2公里每秒。”
他继续讲下去,从牛顿讲到爱因斯坦。
“但牛顿的引力理论有个问题。”费政老师擦掉黑板上的图,重新画了一个太阳和一个绕着它转的水星,“它解释不了水星轨道近日点的进动——每百年43角秒的偏差。直到1915年,一个叫爱因斯坦的专利局职员提出了全新的理论。”
他在黑板上写下五个大字:广义相对论。
“在爱因斯坦看来,引力不是一种‘力’。”费政老师的声音里有一种近乎诗意的张力,“而是时空的弯曲。质量大的物体会弯曲周围的时空,其他物体沿着弯曲时空中最‘直’的路径运动——这叫测地线。”
他用粉笔在黑板上画了一个网格,在中心处用力一按,粉笔灰四溅,网格凹陷下去。
“太阳弯曲了周围的时空,地球只是沿着这个弯曲时空运动。就像在凹陷的床单上滚动的玻璃弹珠。”费政老师抬起头,看着我们,“这个理论预言了很多神奇的现象——光线经过太阳时会偏折,引力场中时间会变慢,还有引力波的存在。”
周博举手:“老师,引力波真的存在吗?”
“1974年,泰勒和赫尔斯发现了一对脉冲星双星。”费政老师走到窗边,仿佛在眺望遥远的星空,“它们的轨道在衰减,衰减速率与广义相对论预言的引力波辐射导致的能量损失完全一致。1993年,他们因此获得了诺贝尔奖。这是引力波存在的间接证据。”
肖恩追问:“那能直接探测到吗?”
“美国已经在建设LIGO了。”费政老师走回讲台,“激光干涉引力波天文台。如果建成并达到设计灵敏度,也许十年内我们能首次直接‘听到’宇宙中的引力波——比如两个黑洞并合的声音。”
“黑洞!”王强几乎是喊出来的,“老师,黑洞真的存在吗?”
费政老师笑了,那是一种看到学生问出关键问题时的欣慰笑容。
“根据广义相对论,当一颗大质量恒星死亡时,如果核心质量超过奥本海默极限——大约三倍太阳质量——没有任何力量能阻止它继续坍缩。”他的声音变得低沉,“它会坍缩成一个点——奇点。周围的边界叫视界,一旦跨过,就再也无法返回。这就是黑洞。”
他在黑板上画了一个黑色的圆,在圆外画了几条被吸入的线。
“1967年,贝尔和休伊什发现了脉冲星——快速旋转的中子星。而黑洞,直到1971年才在天鹅座X-1双星系统中找到第一个强有力候选体。”费政老师顿了顿,“现在,黑洞已经从天方夜谭变成了天体物理学的常规研究对象。”
莉莉转过身,眼睛亮晶晶的:“老师,黑洞真的什么都吞吗?连光都不放过?”
“根据经典广义相对论,是的。”费政老师说,“但1974年,霍金提出了一个惊人的理论——黑洞不是全黑的。由于量子效应,黑洞视界附近会产生粒子-反粒子对,其中一个掉进去,另一个逃逸,看起来就像黑洞在辐射。这叫霍金辐射。”
“那黑洞最后会蒸发掉?”朱娜认真地记着笔记。
“理论上是。”费政老师点头,“但时间尺度长得难以想象。一个太阳质量的黑洞,蒸发完需要10的67次方年——比宇宙当前年龄长得多得多。”
他讲到这里,教室里的气氛已经完全不同了。同学们不再是被动听讲,而是主动追问,眼睛里有光——那是对未知世界的好奇,对宏大问题的渴望。
就在这时,我举起了手。
“费老师,”我问,“那宇宙是怎么来的呢?”
这个问题仿佛按下了某个开关。
费政老师眼睛一亮,像是早就在等这个问题。
他放下粉笔,走到讲台中央,双手做了一个从中心向外扩张的手势。
“这就是宇宙学要回答的核心问题。”他说,声音里有一种庄重的意味,“目前最主流的理论,叫做‘大爆炸宇宙学’。”
他在黑板上画了一条长长的时间轴,在最左端重重一点。
“大约150亿年前,”费政老师的声音变得悠远,仿佛在讲述一个古老的神话,“整个宇宙——时间、空间、物质——都聚集在一个极小、极热、密度极高的状态。我们称之为‘奇点’。”
他在点旁边写下“t=0”。
“然后,它开始膨胀。”费政老师说,“不是我们平常理解的爆炸,而是时空本身开始扩张。1929年,哈勃发现星系都在远离我们,而且远离速度与距离成正比——这就是宇宙膨胀的直接证据。”
他在时间轴上向右移动粉笔。
“但随着研究的深入,天文学家发现标准大爆炸模型有些问题。”费政老师停下笔,“比如,为什么宇宙如此均匀?为什么如此平坦?1980年,古斯等人提出了‘暴胀理论’,认为宇宙在极早期经历了指数级膨胀——在极短时间内,宇宙尺寸膨胀了数十个数量级。”
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